线性光耦HCNR201在电池巡检仪中的应用

0 引言

随着社会经济的不断发展以及技术的不断进步，在某些重要的供电场合都配备了应急电源。目前应急电源主要有UPS,EPS应急电源,柴油机发电机组三种。这三种应急电源都有自己的特点和应用场合。EPS应急电源是允许短时电源中断的应急电源装置。近年来，含蓄电池的EPS作为应急电源被广泛应用，尤其是被用做消防应急电源。下图是EPS的结构简图，当市电断电时，互投装置就会切换到由蓄电池组逆变出的交流电源。

市电输入蓄电池组互投装置整流充电器用户负载逆变器交流配电电池巡检仪系统控制器

图1

蓄电池组作为应急电源的功率输出单元，是应急电源的核心部件，蓄电池组的工作状态影响着它自身的寿命，同时必然对应急电源的供电可靠性产生影响。为了提高电池的寿命以及EPS供电的可靠性，必须对电池组电压以及单体电池电压进行监测，以实现电池组的合理充放电。上图中的电池巡检仪是应急电源(EPS)的检测管理控制设备，就是用于实现在线检测蓄电池组电压等功能的。本论文着重阐述一下蓄电池组电压的检测。为了不将电网的噪声引入巡检仪中的单片机系统，所以必须将噪声信号与单片机系统隔离开来。线性模拟光藕HCNR201正好能满足这一要求，同时在电压的测量精度上还具有很高的精度。

1 线性模拟光耦HCNR201结构及工作原理

图2

HCNR201的内部结构如上图所示包括一只高性能的AlGaAs型发光二极管(图2中的LED), 两只极其相似的光电二极管(图2中的PD1和PD2), 当 LED中流过电流时其所发出的光会在PD1,PD2中感应出正比于LED发光强度的光电流和，其中，和满足以下关系：

FI1PDI2PDIFI1PDI2PDI

.............................. (1 ) FPDIKI11=

FPDIKI22= .............................. (2 )

12PDPDIIK= .............................. (3)

式中，分别为输入输出光电二极管的电流传输比，其典型值均为0.5%左右。因为 一般在1~20mA之间，所以一般在50uA以下；K被定义为传输增益，当一只HCNR201被制造出来时，K就是一个固定的值了，HCNR201的K值约为1±0.05。再加上PD1,PD2的安装位置的精确性以及元件先进的封装设计保证了HCNR201的高线性和增益的稳定性。 1K2KFI21,PDPDII

2 硬件电路的设计

蓄电池组是由16节12V的铅酸蓄电池组成。该硬件电路如图3所示，它主要由三部分组成。第一部分是精密电阻分压网络和第一级运放。第二部分是第二级运放它通过HCNR201组成的负反馈网络。第三部分是第三级运放它将电流转换成电压。

图3

图中的网络属性B+,B-代表蓄电池组的正负极，HCNR201的前半部分采用Vcc1供电，后半部分采用Vcc供电，这样充电器的各种干扰信号不会引入到光耦后端的系统，Vcc,Vcc1都是5V电源。Vcc是交流220V变换得来的，Vcc1是通过单节蓄电池变换得来的。R1,R2,R3组成精密电阻分压网络，将蓄电池组192V的电压转换成0～3.3V(第三片运放的输出端接至MSP430F149的A/D接口).第一片运放做电压跟随器用，在这里这一级运放是必须加的，U1输出的电压虽然与R3上的电压相等，但电压跟随器起到了降低阻抗的作用，避免了后级对R3的影响。电阻起限流作用，根据公式 6R

616.1RVIccF−= .................................(4)

6R一般取几百欧，该设计中选取了200欧。

该设计中的运放都是选用的高精度运放LMV321。下面分析一下HCNR201的工作工程，我们将U1的电压输出设为,对于运放U2，根据虚短原则，我们可得 1V

=1PDI51RV .............................. (5)

运放U3的输出电压我们设为Vo，对于运放U3,根据虚断原则，我们可得

72*RIVPDo= ..............................(6)

再考虑(3)式可得

75171****RRVKRIKVPDo== .............. (7)

在本论文中 ，所以可得 Ω==KRR10075

11==KVVo ................................. (8)

所以此电路设计可以实现输入与输出的线性变化，经过标定后能准确测得输入模拟量的值。

3总结

本文主要论述了电池巡检仪中一种新的电压检测方法，它的硬件电路主要由线性模拟光耦HCNR201和高精度运放LMV321组成。该设计经过在现场的测试，电压测量精度达到了%3≤的国家标准，并且长时间运行可靠，所以该设计值得推广。